变径管道流场分析

2011-10-16 12:15:16李永峰

太原科技大学学报 2011年4期

李永峰

（济钢集团总公司中厚板厂，济南 250101）

在液压系统中，很多因素都影响着系统的动静态特性，管道也是其中之一。液体在管道内流动，主要呈现出层流和紊流两种状态，管道形状直接影响着这两种状态的变化［1］。变化的流动状态产生的液阻带来了压力损失，这就表明压力损失与管道形状和变化管径有很直接的关系。压力损失会直接造成系统发热［2］，因此合理的管道变化有利于减低能耗、降低压力损失。

在以往的研究以及实践中都证明，适当的管道长度能得到最低的管道压力损失。近年来，在流体系统中，集成化已成为发展的趋势，因此，一些突变截面在实际应用中不可避免。流体经过截面突变管时，由于截面积、流动方向的急剧变化，流体间的摩擦，碰撞都会急剧增加，形成涡流［3］，从而产生局部压力损失。突变截面也分多种情况:进口大出口小、进口小出口大、管路分流或节流。

1 管径突然缩小流体流动状态

在阀台、油路体、阀与阀台的连接处、管道与阀台的连接处、阀体内部均可见到突变截面。本文模拟所采用流体为水，不考虑粘度的影响。

图1 突然缩小管1Fig.1 Size diminished unexpected 1

图2 突然缩小管2Fig.2 Size diminished unexpected 2

从图1、图2可以看出，在半径突变处，大径周围形成了涡流，同时半径变小处有强烈的涡流，形成的涡流，使周围的压力急剧降低，进而形成真空，在此作用下，充斥在管道中的空气爆破，多次反复作用，终将造成振动、气蚀等破坏［4-5］。流动方向的骤然变化也引起流体对管壁的剧烈冲击。两图对比可以看出，当管径差大时，流体的变化速率加快，在变径处形成的涡流也比变径小时大。稳定的层流状态经过突变后，流体的特征也变成紊流，压力流体的力在各个方向上作用于通道，形成对管壁处形成集中、强烈的冲击。这符合流体力学的伯努利方程［6］:

式中:p1、p2分别为大、小通径管道的压力；

u1、u2分别为大、小通径管道的流速；

hj为压力损失，h= ζ*=0.5（1-A2/A1）.

假设流体为不可压缩，根据流量连续性方程:

上式中:Q为系统流量；A1、A2为大、小通径管道面积。

联立上两式，可知，系统的压力损失随着管径变化的增大逐渐增大。

必须采取有效手段来减少液压冲击，对系统及元器件加以保护，以延长设备使用寿命，通常采取的措施是变径接头，图3、图4是对采取变径接头后变径处流场的分析结果:

从图3、图4的分析结果不难判断出，管道中的流体在经过缓慢的角度变化后，输入层流有较小改变，但在经过变径后迅速恢复为层流，因此管道内的流体状态稳定，没有强烈的动量变化形成冲击，这满足理想的流体状态，有利于液压元器件的安全使用。

式中:α——变径处夹角；

图3 变径缩小接头处流场1Fig.3 Flow field of contraction reducer joint 1

从上式的分析可以看出，缓慢的变径，减小了压力损失。确保了系统动态稳定性。但同时管径变化大依然有较小的流体对管道或元器件形成冲击，但同图1、图2相比已经很小。同时在方向的变化也没有形成涡流等影响系统响应的因素，在源头环节将干扰量降到最低。

图4 变径缩小接头处流场2Fig.4 Flow field of contraction reducer joint 2

2 管径突然增大流体流动状态

突然扩大管径的应用类似于突然缩小管，如油液流进液压缸、管道进油口等。

图5、图6分别表示不同输入管径，在相同压力、相同流速下的变径接头处流场变化情况。从上两图可以看出，二者在变径处都形成了涡流，但通径变化大的形成的涡流范围比变化小的大。通突然缩小通径相比，突然扩大管的流体基本上未产生管道径向方向上的力。这种管道连接方式最大的缺陷就是管径扩大处存有大量的空气，需要经过长时间、多次的排气才能将内部空气排除。